Pourquoi l'hydrogène est un carburant respectueux de l'environnement. Production de types de carburants respectueux de l'environnement pour les carburants automobiles. De l'hydrogène aux piles à combustible

25.10.2019

Qui a inventé le moteur à hydrogène ?

Comme beaucoup haute technologie, cette idée nous est venue de l’Occident. Le premier moteur à hydrogène a été développé et créé par l’ingénieur et scientifique américain Brown. La première entreprise à utiliser ce moteur fut la société japonaise Honda. Mais ce constructeur automobile a dû déployer de grands efforts pour donner vie à la « voiture du futur ». Lors de la création de la voiture, tous les meilleurs ingénieurs et esprits de l'entreprise ont été impliqués pendant plusieurs années ! Ils ont tous dû arrêter la production de certaines voitures. Et surtout, ils ont refusé de participer à la Formule 1, puisque tous les travailleurs impliqués dans la création des voitures ont commencé à développer une voiture à hydrogène.

Avantages de l'hydrogène comme carburant

L'hydrogène est l'élément le plus répandu dans l'univers, absolument tout dans notre vie en est constitué, tous les objets qui nous entourent contiennent au moins une petite particule d'hydrogène. C'est ce fait qui est très agréable pour l'humanité, car contrairement au pétrole, l'hydrogène ne s'épuisera jamais et nous n'aurons pas à économiser sur le carburant.
C’est absolument respectueux de l’environnement ! Contrairement à un moteur à essence, un moteur à hydrogène n’émet pas de gaz nocifs qui auraient un impact négatif sur l’environnement. Les gaz d'échappement émis par un tel groupe motopropulseur sont une paire ordinaire.
L’hydrogène utilisé dans les moteurs est hautement inflammable et la voiture démarrera et roulera bien, quelle que soit la météo. Autrement dit, nous n'avons plus besoin de réchauffer la voiture avant de conduire en hiver.
Avec l’hydrogène, même les petits moteurs seront très puissants, et pour créer la voiture la plus rapide, vous n’aurez plus besoin de construire une unité de la taille d’un réservoir.

Bien entendu, ce carburant présente également des inconvénients :

Le fait est que même s’il s’agit d’un matériau illimité et disponible partout, il est très difficile à obtenir. Bien que ce ne soit pas un problème pour l’humanité. Nous avons appris à extraire le pétrole de l’océan en forant son fond, et nous apprendrons également à extraire l’hydrogène de la terre.
Le deuxième inconvénient est le mécontentement des magnats du pétrole. Immédiatement après le début du développement progressif de cette technologie, la plupart des projets ont été clôturés. Selon les rumeurs, tout cela est dû au fait que si l'essence est remplacée par de l'hydrogène, les personnes les plus riches de la planète se retrouveront sans revenus, et elles ne peuvent pas se le permettre.

Méthodes d’extraction de l’hydrogène pour l’utiliser comme énergie

L’hydrogène n’est pas un pur fossile comme le pétrole et le charbon ; vous ne pouvez pas simplement l’extraire et l’utiliser. Pour qu'elle devienne de l'énergie, elle doit être obtenue et un peu d'énergie utilisée pour la traiter, après quoi cette opération la plus courante élément chimique deviendra du carburant.

La méthode actuellement pratiquée pour produire de l’hydrogène carburant est ce qu’on appelle le « reformage à la vapeur ». Pour transformer l’hydrogène ordinaire en carburant, des glucides, composés d’hydrogène et de carbone, sont utilisés. Lors de réactions chimiques, à une certaine température, une énorme quantité d'hydrogène est libérée, qui peut être utilisée comme carburant. Ce carburant ne mettra pas en évidence substances nocives dans l'atmosphère pendant le fonctionnement, mais lors de son extraction, une énorme quantité de dioxyde de carbone, ce qui a un effet néfaste sur l'environnement. Par conséquent, bien que cette méthode soit efficace, elle ne doit pas être utilisée comme base de production. carburant alternatif.

Il existe des moteurs pour lesquels l'hydrogène pur convient également ; ils le traitent eux-mêmes ; cet élément Cependant, comme avec la méthode précédente, il y a également une énorme quantité d'émissions de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

L’électrolyse est un moyen très efficace de produire un carburant alternatif sous forme d’hydrogène. Un courant électrique est introduit dans l’eau, provoquant sa division en hydrogène et oxygène. Cette méthode est cher et fastidieux, mais respectueux de l'environnement. Le seul déchet lié à l'obtention et à l'utilisation du carburant est l'oxygène, qui n'aura qu'un effet positif sur l'atmosphère de notre planète.

Et le moyen le plus prometteur et le moins cher de produire de l’hydrogène est le traitement de l’ammoniac. Avec la réaction chimique nécessaire, l'ammoniac se décompose en azote et en hydrogène, ce qui produit trois fois plus d'hydrogène que d'azote. Cette méthode est meilleure car elle est un peu moins chère et moins chère. De plus, l'ammoniac est plus facile et plus sûr à transporter et, à son arrivée sur le site de livraison, la réaction chimique doit démarrer, l'azote doit être libéré et le carburant est prêt.

Bruit artificiel

Les moteurs à hydrogène sont pratiquement silencieux, c'est pourquoi ce que l'on appelle le « bruit artificiel des véhicules » est installé sur les véhicules qui sont utilisés ou seront mis en service pour éviter les accidents sur la route.

Eh bien, les amis, nous sommes à la veille d'une grande transition de l'essence, qui détruit tout notre écosystème, à l'hydrogène, qui, au contraire, le restaure !

Depuis de nombreuses années, les chercheurs peinent à trouver une alternative à l’essence comme principal type de carburant pour les véhicules. Cela n'a aucun sens d'énumérer des raisons environnementales et liées aux ressources - seuls les paresseux ne parlent pas de la toxicité des gaz d'échappement. Les scientifiques trouvent une solution au problème dans les types de carburant les plus inhabituels, parfois inhabituels. Recycle a sélectionné les idées les plus intéressantes qui remettent en question l’hégémonie énergétique de l’essence.

Biodiesel à base d'huiles végétales

Le biodiesel est un type de biocarburant à base de huiles végétales, qui est utilisé à la fois sous forme pure et sous forme de divers mélanges avec carburant diesel. L'idée d'utiliser de l'huile végétale comme carburant appartient à Rudolf Diesel, qui a créé en 1895 le premier moteur diesel fonctionnant à l'huile végétale.

Généralement, les huiles de colza, de tournesol et de soja sont utilisées pour produire du biodiesel. Bien entendu, les huiles végétales elles-mêmes ne sont pas versées dans le réservoir d'essence comme carburant. L'huile végétale contient des graisses - esters acides gras avec de la glycérine. Dans le processus de production des « biosolaires », les esters de glycérol sont détruits et la glycérine (elle est libérée comme sous-produit) est remplacée par des alcools plus simples - le méthanol et, moins souvent, l'éthanol. Cela devient un composant du biodiesel.

Dans de nombreux pays européens, ainsi qu'aux États-Unis, au Japon et au Brésil, le biodiesel est déjà devenu une bonne alternative à l'essence ordinaire. Ainsi, en Allemagne, l'éther méthylique de colza est déjà vendu dans plus de 800 stations-service. En juillet 2010, 245 usines de production de biodiesel, d'une capacité totale de 22 millions de tonnes, étaient en activité dans l'Union européenne. Les analystes d'Oil World prédisent que d'ici 2020, la part du biodiesel dans la composition des carburants consommés au Brésil, en Europe, en Chine et en Inde atteindra 20 %.

Biodiesel - carburant respectueux de l'environnement pour le transport : par rapport au carburant diesel classique, il ne contient presque pas de soufre et subit en même temps une décomposition biologique presque complète. Dans le sol ou l'eau, les micro-organismes transforment 99 % du biodiesel en 28 jours, ce qui minimise le degré de pollution des rivières et des lacs.

Air comprimé

Des modèles de voitures pneumatiques, c'est-à-dire des voitures fonctionnant à l'air comprimé, ont déjà été produits par plusieurs entreprises. Les ingénieurs de Peugeot ont fait sensation dans l'industrie automobile en annonçant la création d'un hybride qui aiderait le moteur combustion interne l'énergie de l'air comprimé est ajoutée. Les ingénieurs français espéraient qu'un tel développement aiderait les petites voitures à réduire leur consommation de carburant à 3 litres aux 100 km. Les spécialistes de Peugeot affirment qu'en ville, un hybride pneumatique peut rouler jusqu'à 80 % du temps à l'air comprimé sans créer un seul milligramme d'émissions nocives.

Le principe de fonctionnement de la « voiture aérienne » est assez simple : la voiture est propulsée non pas par le mélange d'essence brûlant dans les cylindres du moteur, mais par un puissant flux d'air provenant d'un cylindre (la pression dans le cylindre est d'environ 300 atmosphères) . Le moteur pneumatique convertit l'énergie de l'air comprimé en rotation des arbres d'essieu.

Malheureusement, les machines entièrement alimentées par de l'air comprimé ou des hybrides d'air sont créées principalement en petits lots - pour fonctionner dans des conditions spécifiques et dans un espace limité (par exemple, sites de production, exigeant niveau maximum sécurité incendie). Bien qu'il existe certains modèles pour les acheteurs « standards ».

Le micro-camion écologique Gator d'Engineair est le premier véhicule à air comprimé d'Australie à être réellement utilisé à des fins commerciales. On le voit déjà dans les rues de Melbourne. Capacité de charge - 500 kg, volume des bouteilles d'air - 105 litres. Le kilométrage du camion dans une station-service est de 16 km.

Déchets

Quels progrès ont été réalisés : certaines voitures n'ont pas besoin d'essence pour faire fonctionner leur moteur, mais de déchets humains qui finissent dans les égouts. Un tel miracle de l'industrie automobile a été créé au Royaume-Uni. Une voiture utilisant comme carburant le méthane libéré par les excréments humains a été déployée dans les rues de Bristol. Le modèle prototype était la Volkswagen Beetle, et le constructeur de la voiture VW Bio-Bug utilisant un carburant innovant était GENEco. Le moteur de traitement des excréments installé sur un cabriolet Volkswagen lui a permis de parcourir 15 000 kilomètres.

Ils se sont empressés de qualifier l'invention de GENeco de percée dans la mise en œuvre technologies d'économie d'énergie et un carburant respectueux de l'environnement. Pour le citoyen moyen, l'idée semble surréaliste, cela vaut donc la peine de l'expliquer : la voiture est bien sûr chargée de carburant déjà traité - sous forme de méthane prêt à l'emploi, obtenu à l'avance à partir de déchets.

Dans ce cas, le moteur VW Bio-Bug utilise simultanément deux types de carburant : la voiture démarre à l'essence, mais dès que le moteur chauffe et que la voiture atteint une certaine vitesse, l'approvisionnement en gaz gastrique humain traité dans les usines GENEco est allumé. Les consommateurs ne remarqueront peut-être même pas la différence. Cependant, le principal problème de commercialisation demeure : la perception négative par l'homme des matières premières à partir desquelles le biogaz est produit.

Panneaux solaires

La production de voitures alimentées à l'énergie solaire est peut-être le domaine le plus développé de l'industrie automobile axé sur l'utilisation d'écocarburants. Des voitures à énergie solaire sont créées partout dans le monde et dans une grande variété de variantes. En 1982, l'inventeur Hans Tolstrup a traversé l'Australie d'ouest en est dans la voiture solaire « Quiet Achiever » (mais à une vitesse de seulement 20 km/h).

En septembre 2014, la voiture Stella n'a pas réussi à parcourir la route de Los Angeles à San Francisco, soit 560 km. La voiture solaire, développée par une équipe de l'Université néerlandaise d'Eindhoven, est équipée de panneaux qui collectent l'énergie solaire et d'une batterie de 60 kilogrammes d'une capacité de six kilowattheures. Stella a une vitesse moyenne de 70 km par heure. En l'absence soleil L'alimentation de la batterie est suffisante pour 600 km. En octobre 2014, des étudiants d'Eindhoven ont participé au World Solar Challenge, un rallye de 3 000 kilomètres à travers l'Australie pour les voitures à énergie solaire, avec leur voiture miracle.

La voiture électrique à énergie solaire la plus rapide au monde à l'heure actuelle est Sunswift, créé par une équipe d'étudiants de l'Université australienne de Nouvelle-Galles du Sud. Lors de tests en août 2014, cette voiture solaire a parcouru 500 kilomètres avec une seule charge de batterie avec une vitesse moyenne de 100 km/h, ce qui est étonnant pour un tel véhicule.

Biodiesel issu de déchets culinaires

En 2011, le ministère agriculture Les États-Unis, en collaboration avec le National Renewable Energy Laboratory, ont mené des recherches sur les carburants alternatifs. L'un des résultats surprenants a été la conclusion selon laquelle l'utilisation de carburant biodiesel à base de matières premières d'origine animale est prometteuse. Le biodiesel issu de résidus graisseux est une technologie encore peu développée, mais déjà utilisée dans les pays asiatiques.

Chaque année au Japon, après la préparation du plat national, le tempura, environ 400 000 tonnes d'huile de cuisson usagée sont laissées sur place. Auparavant, il était transformé en aliments pour animaux, en engrais et en savon, mais au début des années 1990, les économes Japonais lui ont trouvé une autre utilisation, en l'utilisant pour produire du carburant diesel végétal.

Par rapport à l'essence, ce type de station-service non standard émet moins d'oxyde de soufre dans l'atmosphère - la principale cause des pluies acides - et réduit de deux tiers la quantité d'autres émissions de gaz d'échappement toxiques. Pour rendre le nouveau carburant plus populaire, ses fabricants ont mis au point un projet intéressant. Quiconque enverra dix lots de bouteilles en plastique contenant de l'huile de cuisson usagée à l'usine RTD se verra attribuer 3,3 mètres carrés de forêt dans l'une des préfectures japonaises.

La technologie n’a pas encore atteint la Russie à ce point, mais en vain : la quantité annuelle de déchets russes industrie alimentaire est de 14 millions de tonnes, ce qui, en termes de potentiel énergétique, équivaut à 7 millions de tonnes de pétrole. En Russie, les déchets utilisés pour la production de biodiesel couvriraient les besoins de transport à hauteur de 10 pour cent.

Hydrogène liquide

L’hydrogène liquide a longtemps été considéré comme l’un des principaux carburants capables de concurrencer l’essence et le diesel. Les véhicules fonctionnant à l’hydrogène ne sont pas rares, mais en raison de nombreux facteurs, ils n’ont jamais gagné en popularité. Bien que récemment, grâce à une nouvelle vague de préoccupation pour les technologies « vertes », l'idée d'un moteur à hydrogène a gagné de nouveaux partisans.

Plusieurs grands constructeurs disposent désormais de machines avec moteur à hydrogène. L'un des exemples les plus célèbres est la BMW Hydrogen 7, une voiture équipée d'un moteur à combustion interne pouvant fonctionner à la fois à l'essence et à l'hydrogène liquide. La BMW Hydrogen 7 dispose d'un réservoir d'essence de 74 litres et d'un réservoir de stockage pour 8 kg d'hydrogène liquide.

Ainsi, la voiture peut utiliser les deux types de carburant au cours d'un même trajet : le passage d'un type de carburant à un autre s'effectue automatiquement, avec une préférence donnée à l'hydrogène. Le même type de moteur est équipé, par exemple, dans la voiture hybride hydrogène-essence Aston Martin Rapide S. Dans celui-ci, le moteur peut fonctionner avec les deux types de carburant et bascule entre eux en système intelligent optimisation de la consommation et des émissions de substances nocives dans l'atmosphère.

D’autres géants de l’automobile – Mazda, Nissan et Toyota – envisagent également de développer l’hydrogène carburant. On pense que l’hydrogène liquide est respectueux de l’environnement, car lorsqu’il est brûlé dans un environnement d’oxygène pur, il n’émet aucun polluant.

Algues vertes

Le carburant aux algues est une façon exotique de générer de l’énergie pour une voiture. Les algues ont commencé à être considérées comme un biocarburant, principalement aux États-Unis et au Japon.

Le Japon ne dispose pas de beaucoup de terres fertiles pour cultiver du colza ou du sorgho (qui sont utilisés dans d’autres pays pour produire des biocarburants à partir d’huiles végétales). Mais le Pays du Soleil Levant produit une quantité énorme d’algues vertes. Auparavant, ils étaient utilisés pour l'alimentation, mais ils sont désormais utilisés pour fabriquer de l'essence pour les voitures modernes. Il n'y a pas si longtemps, dans la ville japonaise de Fujisawa, un bus de passagers DeuSEL de la société Isuzu est apparu dans les rues, fonctionnant au carburant dont une partie est obtenue à partir d'algues. L’un des éléments principaux était l’euglène verte.

Aujourd'hui, les additifs « algues » ne représentent que quelques pour cent de la masse totale de carburant dans les réservoirs de transport, mais à l'avenir, le fabricant asiatique promet de développer un moteur qui permettra d'utiliser le biocomposant à 100 pour cent.

Les États-Unis se sont également saisis de la question des biocarburants à base d’algues. La chaîne de stations-service Propel en Californie du Nord a commencé à vendre du biodiesel Soladiesel à tout le monde. Le carburant est obtenu à partir d’algues en les fermentant puis en libérant des hydrocarbures. Les inventeurs des biocarburants promettent une réduction de vingt pour cent des émissions de dioxyde de carbone et une réduction notable de la toxicité à d'autres égards.

En fait, convertir les voitures, les avions, les navires et les locomotives à l’hydrogène est une idée très séduisante. L'utilisation de H 2 ne laisse aucune empreinte carbone. Une voiture particulière Toyota Mirai alimentée par des batteries à hydrogène produit environ un demi-seau d’eau lorsqu’elle parcourt 100 km. C'est tout ! Pas de gaz à effet de serre. Aucune émission toxique. N'est-ce pas un excellent substitut aux hydrocarbures ? Le remplacement est excellent, mais le problème est que la nature a créé pour nous de vastes gisements de pétrole et de gaz, mais il n'y a pas de gisements d'hydrogène. L'élément le plus léger du tableau périodique est abondamment présent dans le monde environnant, mais sous forme de composés - principalement avec le carbone et l'oxygène. Pour obtenir de l’hydrogène sous forme libre, il est nécessaire de détruire ces composés, ce qui nécessite de l’énergie, et au niveau actuel de développement technologique, beaucoup plus d’énergie que ce que l’on peut alors obtenir en recyclant l’hydrogène.

Le rayonnement du soleil, les marées et le vent sont aujourd’hui appelés sources d’énergie alternatives, mais l’hydrogène n’en fait pas partie. Le H2 est un carburant respectueux de l’environnement qui stocke essentiellement l’énergie utilisée pour le produire (moins les pertes inévitables). Manger toute une série technologies actuellement utilisées et prometteuses pour la production d'hydrogène, mais les principales sont divisées en deux types : arracher l'hydrogène du carbone et arracher l'hydrogène de l'oxygène.

Comment fonctionne une Toyota Mirai ?

1. Unité de pile à combustible La première pile à combustible produite en série à haute puissance spécifique par unité de volume (3,2 kW/L) Puissance maximale : 124 kW 2. Le convertisseur élévateur convertit le courant continu généré par la pile à combustible en courant alternatif, augmentant la tension à 650 V 3. La batterie nickel-hydrure métallique stocke l'énergie récupérée lors du freinage. Au démarrage, il alimente le moteur en même temps que la pile à combustible. 4. Cylindres haute pression Pression de fonctionnement à l'intérieur : 700 atm. Volume interne : 60 l (réservoir avant) 62,4 l (réservoir arrière) 5. Moteur électrique Moteur électrique synchrone AC : puissance maximale - 113 kW (153,6 CV) couple maximal - 335 Nm 6. L'unité de commande contrôle la pile à combustible, ainsi que charge/décharge de la batterie 7 Accessoires supplémentaires Pompe pour pomper l'hydrogène, etc.

Du carburant propre et sale ?

Plus de la moitié de l'hydrogène mondial est produit par reformage du méthane à la vapeur - c'est le procédé le moins cher et le plus efficace. moyen abordable. Dans un processus en plusieurs étapes utilisant des températures élevées et des catalyseurs, les molécules de méthane sont décomposées en hydrogène et monoxyde de carbone(monoxyde de carbone). Le procédé utilisant des combustibles fossiles, l’hydrogène ainsi produit ne peut être décrit comme n’ayant aucune empreinte carbone.

Un autre procédé industriel assez courant est l'électrolyse, familier à tous dès l'école. expériences chimiques. Il n'y a plus de pétrole, de gaz ou de charbon ici - l'eau ordinaire se décompose en oxygène et en hydrogène lorsqu'on y applique énergie électrique. Mais d’où vient cette énergie ? S'il y a des fumées à proximité de la production d'hydrogène centrale thermique sur le fioul, l’empreinte carbone ici ne sera pas non plus très bonne. Les visionnaires de l’énergie du futur parlent d’usines à hydrogène, alimentées exclusivement par l’électricité provenant de parcs éoliens, de centrales solaires et d’autres sources renouvelables. Dans ce cas, une chaîne de production de carburants véritablement décarbonée verra le jour, mais cela nécessitera une augmentation colossale de la capacité de production dans le domaine de l’énergie verte.

Production d'hydrogène grâce à la biotechnologie

À propos du sort du Hindenburg

Une transition totale vers l'hydrogène nécessitera non seulement des ressources énergétiques pour sa production, mais également une infrastructure développée pour son transport et son stockage - pipelines, réservoirs ferroviaires, navires-citernes, réservoirs, stations-service. L’une des principales raisons de l’attitude quelque peu méfiante de la société à l’égard de la révolution de l’hydrogène est que l’hydrogène est très volatil et explosif. Là où l’hydrogène sera stocké, transporté ou utilisé, il est nécessaire de disposer d’analyseurs de gaz très sensibles qui signaleront la moindre fuite. Certes, les partisans de l’utilisation active de l’hydrogène affirment que le danger est exagéré. Contrairement aux gaz lourds comme le méthane, l’hydrogène léger qui s’échappe d’une bouteille monte et se dissipe instantanément. Un exemple est l'histoire de la catastrophe du dirigeable Hindenburg, dans laquelle l'hydrogène enflammé n'a brûlé que pendant 32 secondes, ce qui a permis à 62 des 97 passagers de ne pas périr dans l'incendie et de survivre. Mais en tout cas, présence dans la rue grandes quantités véhicules, dans lequel des gaz explosifs sont sous pression, nécessitera un nouveau niveau de sécurité routière.

Tous ces facteurs limitants large application l'hydrogène, indiquent que la transition vers le nouveau carburant ne se fera pas à un rythme très rapide. Les ventes de la Toyota Mirai pionnière équipée de piles à combustible à hydrogène, qui ont débuté en 2015, n'ont approché que la barre des 3 000 unités - et cela sur un marché immense qui comprend non seulement le Japon, mais aussi les États-Unis, l'UE et les Émirats arabes unis. Il est évident que l'hydrogène comme carburant coexistera à la fois avec les hydrocarbures traditionnels et batteries lithium-ion(dans les véhicules électriques). Dans le même temps, les technologies de l’hydrogène pourront se développer plus rapidement dans certaines des niches les plus prometteuses, par exemple dans le domaine des drones électriques. Le fait est que l'efficacité d'une pile à combustible à hydrogène est très élevée, car l'énergie libérée lorsque l'hydrogène est combiné avec l'oxygène est utilisée directement en électricité, sans pertes significatives sous forme de chaleur, comme cela se produirait lors de la combustion de carburant. dans le cycle de Carnot. En tirant le meilleur parti de l'énergie du carburant, un drone équipé d'une pile à combustible peut rester en l'air beaucoup plus longtemps qu'un drone ayant une masse au décollage comparable mais alimenté par des batteries lithium-ion couramment utilisées.

De l'hydrogène solide ?

Dans notre pays, les leaders dans la création de piles à combustible hydrogène-air (HAFC) pour drones et pas seulement sont l'Institut des Problèmes chimie physique Institut de physique appliquée de l'Académie des sciences de Russie et Institut central d'ingénierie des moteurs d'aviation CIAM nommé d'après. Baranova. En avril 2016, VTE IFKh a assuré un vol record d'une durée de 3 heures et 10 minutes du concept d'octocoptère NELK-88 produit conjointement par NELK et IFKh RAS.

Disposition de pastilles « hydrogène solide » dans l’aile d’un drone

Hydrogène système embarqué dispose d'un très bon carburant haute tension et fonctionne efficacement, mais avec l'avènement de l'hydrogène comprimé en bouteille à bord, des problèmes de poids et de taille considérables sont apparus. De plus, il existe toujours une possibilité de fuite de gaz, ce qui est dangereux. Les derniers matériaux et technologies ultra-résistants n’ont pas complètement résolu ce problème.

Avoir toujours plus d’hydrogène à bord système d'éclairage stockage, ils ont tenté de passer à l'hydrogène liquéfié à une température de -253°C, dont la densité est trois fois supérieure à la densité de l'hydrogène comprimé à des pressions standards pour les systèmes à ballons de 300 à 350 atm, ce qui pourrait augmenter l'intensité énergétique du système. Mais des problèmes avec le vase Dewar, l'isolation thermique, le remplissage, etc. nous ont obligés à abandonner cette idée. Une solution a été trouvée en pensant aux hydrures métalliques solides. Dans l'hydrure, l'hydrogène est si étroitement emballé qu'il n'est pas question d'infiltration. L’hydrogène « solide » constitue donc un argument sérieux pour résoudre le problème de la sécurité des personnes et des équipements.

Dans différents hydrures - sodium, magnésium, bore, etc. - l'hydrogène existe en différentes quantités en poids, et le champion ici est l'ammoniac borane (borazan) avec une teneur en hydrogène de 20 %. Pour obtenir l'hydrogène gazeux nécessaire aux éléments combustibles à haute pression, l'ammoniac borane doit être soigneusement chauffé pour éviter de fondre avec mousse, à une température de 85 à 100 °C. Obtenir une telle température à bord d'un drone ne pose pas de problème : pendant le fonctionnement, par exemple, des éléments combustibles haute tension y sont chauffés.

Vol sur tablettes

Il n’y a pas si longtemps, deux événements marquants ont eu lieu dans ce domaine. La première a eu lieu au tout début du mois de février 2016, lorsque la société britannique Cella Energy, en collaboration avec l'Association écossaise des sciences marines (SAMS), a testé avec succès la technologie de l'hydrogène solide sur un démonstrateur de drone sur le site d'essai d'Argyll. Selon le plan, le vol a duré dix minutes, le drone a atteint une hauteur de 80 m.

Le deuxième événement a eu lieu à la mi-février 2016 à Singapour, à la veille de l'ouverture du salon aéronautique 2016. Ensuite, le mini-drone de série Skyblade 360 de HES Energy Systems a effectué un vol contrôlé pendant six heures et. a parcouru un total de 300 km à une vitesse de 50-55 km/h. Dans les deux cas, les développeurs ont utilisé des technologies similaires pour produire un matériau porteur d’hydrogène et en produire de l’hydrogène gazeux.

Le matériau hydrure a été produit sous forme de granulés, qui ont été placés sur une plaque imprimée. ruban de montage, ce qui a permis de produire facilement un chauffage constant, granule à granule, et soigné, à partir d'une source de chaleur intégrée. Les granules d'ammoniac au borane de Cella avaient une section carrée d'un côté de 1 cm. Ils ont été placés dans une cartouche génératrice de gaz. cylindrique, dans lequel, après le dégagement d'hydrogène gazeux, il a été maintenu niveau requis pression de travail - d'ailleurs, petite. La technologie des pellets dans la cartouche permet d'adapter la charge de carburant en fonction de la mission spécifique, ce qui offre une flexibilité dans l'utilisation du drone.

Rien ne sera perdu

Dans la production de granulés de borazan, la technologie de nanostructuration a été utilisée pour obtenir des nanoparticules d'hydrure d'une taille de 4 à 6 nm (30 fois petites tailles grains de sable, comme ce fut le cas pour Cella), ce qui a contribué au rendement élevé en hydrogène. 1 g de granulés structurés libère 1 litre d'hydrogène gazeux avec une efficacité supérieure à 90-95 %.

Mais que faire d'une cartouche usagée dans laquelle, après avoir extrait l'hydrogène de l'hydrure, il reste beaucoup de matière utile ? Bien entendu, personne ne va jeter une telle cartouche, et le reste - le polyborazylène - est réduit à l'état d'ammoniac borane par saturation en hydrogène en présence d'un catalyseur spécial, par exemple à base de ruthénium. Il existe déjà une technologie de régénération dans laquelle tout se passe dans « une seule chaudière » - directement dans la cartouche usagée, ce qui sécurise le processus et simplifie la chaîne de production.

Pour évaluer les perspectives de l’hydrogène comme source d’énergie, nous nous appuyons principalement sur technologies existantes sa production et son utilisation. Cependant, presque chaque jour, quelque chose de nouveau se produit dans ce domaine (comme le montre l’arrivée rapide de « l’hydrogène solide »), et peut-être que l’économie de l’hydrogène finira par nous apparaître sous une forme complètement différente.

Introduction

Les études sur le Soleil, les étoiles et l'espace interstellaire montrent que l'élément le plus répandu dans l'Univers est l'hydrogène (dans l'espace, sous forme de plasma chaud, il représente 70 % de la masse du Soleil et des étoiles).

Selon certains calculs, chaque seconde dans les entrailles du Soleil, environ 564 millions de tonnes d'hydrogène résultant de la fusion thermonucléaire se transforment en 560 millions de tonnes d'hélium, et 4 millions de tonnes d'hydrogène se transforment en un puissant rayonnement qui se dirige vers l'espace. Il n’y a aucune crainte que le Soleil épuise bientôt ses réserves d’hydrogène. Il existe depuis des milliards d'années et son apport en hydrogène est suffisant pour assurer le même nombre d'années de combustion.

L'homme vit dans un univers hydrogène-hélium.

L’hydrogène présente donc pour nous un très grand intérêt.

L’influence et les avantages de l’hydrogène sont aujourd’hui très importants. Presque tous les types de carburants actuellement connus, à l'exception bien sûr de l'hydrogène, polluent environnement. Dans les villes de notre pays, l'aménagement paysager a lieu chaque année, mais cela ne suffit apparemment pas. Des millions de nouveaux modèles de voitures actuellement produits sont remplis de carburant qui libère du dioxyde de carbone (CO 2) et du monoxyde de carbone (CO) dans l'atmosphère. Respirer un tel air et se trouver constamment dans une telle atmosphère présente un très grand danger pour la santé. C'est de là qu'ils viennent diverses maladies, dont beaucoup sont pratiquement incurables, et plus encore il est impossible de les traiter tout en restant dans une atmosphère pour ainsi dire « infectée » par les gaz d'échappement. Nous voulons être en bonne santé et, bien sûr, nous voulons que les générations qui nous suivront ne se plaignent pas ou ne souffrent pas d'une pollution constante de l'air, mais au contraire qu'elles se souviennent et fassent confiance au proverbe : « Le soleil, l'air et l'eau sont notre meilleur. amis."

En attendant, je ne peux pas dire que ces propos se justifient. Nous devons généralement fermer les yeux sur l'eau, car désormais, même si nous prenons notre ville en particulier, il est connu que de l'eau contaminée coule des robinets et que nous ne devons en aucun cas la boire.

Quant à l'air, pas moins de question importante. Et si vous imaginez, au moins une seconde, que tous les moteurs modernes fonctionneront avec un carburant respectueux de l'environnement, qui est bien sûr l'hydrogène, alors notre planète empruntera le chemin qui mène à un paradis écologique. Mais ce ne sont là que des fantasmes et des idées qui, à notre grand regret, ne deviendront pas bientôt réalité.

Même si notre monde approche crise environnementale, tous les pays, même ceux qui polluent le plus l'environnement par leur industrie (Allemagne, Japon, États-Unis et, malheureusement, Russie), ne sont pas pressés de paniquer et d'entamer une politique d'urgence pour le nettoyer.

Peu importe combien nous en parlons impact positif l'hydrogène, dans la pratique cela se voit assez rarement. Mais encore, de nombreux projets sont en cours de développement, et le but de mon travail n'était pas seulement de raconter l'histoire du carburant le plus merveilleux, mais aussi de son application. Ce sujet est très pertinent, car désormais les habitants non seulement de notre pays, mais aussi du monde entier, sont préoccupés par le problème de l'écologie et les moyens possibles de résoudre ce problème.

L'hydrogène sur Terre

L'hydrogène est l'un des éléments les plus courants sur Terre. Dans la croûte terrestre, sur 100 atomes, 17 sont des atomes d’hydrogène. Il représente environ 0,88% en poids globe(y compris l'atmosphère, la lithosphère et l'hydrosphère). Si l'on se souvient qu'il y a plus d'eau à la surface de la terre

1,5∙10 18 m 3 et que la fraction massique d'hydrogène dans l'eau est de 11,19 %, il devient clair qu'il existe une quantité illimitée de matières premières pour produire de l'hydrogène sur Terre. L'hydrogène fait partie du pétrole (10,9 - 13,8%), du bois (6%), du charbon (lignite - 5,5%), du gaz naturel (25,13%). L'hydrogène se trouve dans tous les organismes animaux et végétaux. On le trouve également dans les gaz volcaniques. La majeure partie de l’hydrogène pénètre dans l’atmosphère à la suite de processus biologiques. Lorsque des milliards de tonnes de résidus végétaux se décomposent dans des conditions anaérobies, une quantité importante d’hydrogène est libérée dans l’air. Cet hydrogène présent dans l’atmosphère se dissipe rapidement et se diffuse dans la haute atmosphère. Ayant une faible masse, les molécules d'hydrogène ont une vitesse de diffusion élevée (elle est proche de la seconde vitesse de fuite) et, tombant dans les couches supérieures de l'atmosphère, peut voler dans l'espace. Concentration d'hydrogène dans couches supérieures l'atmosphère est de 1∙10 -4%.

Qu’est-ce que la technologie de l’hydrogène ?

La technologie de l'hydrogène désigne un ensemble de méthodes et moyens industriels de production, de transport et de stockage de l'hydrogène, ainsi que des moyens et méthodes pour sa production. utilisation sûre basé sur des sources inépuisables matières premières et énergie.

Quel est l’attrait de l’hydrogène et de la technologie de l’hydrogène ?

La transition des transports, de l'industrie et de la vie quotidienne vers la combustion de l'hydrogène est la voie vers une solution radicale au problème de la protection du bassin atmosphérique contre la pollution par les oxydes de carbone, d'azote, de soufre et d'hydrocarbures.

La transition vers la technologie de l’hydrogène et l’utilisation de l’eau comme seule source de matières premières pour la production d’hydrogène ne peuvent pas modifier non seulement le bilan hydrique de la planète, mais également celui de ses différentes régions. Ainsi, les besoins énergétiques annuels d'un pays aussi industrialisé que l'Allemagne peuvent être satisfaits par de l'hydrogène obtenu à partir d'une quantité d'eau qui correspond à 1,5% du débit moyen du Rhin (2180 litres d'eau donnent ici 1 sous forme de H2). Notons au passage que se réalise sous nos yeux l'une des brillantes conjectures du grand écrivain de science-fiction Jules Verne, qui, par la bouche du héros du roman « L'Île mystérieuse » (Chapitre XVII), déclare : « L’eau est le charbon des siècles à venir.

L’hydrogène obtenu à partir de l’eau est l’un des vecteurs énergétiques les plus riches en énergie. Après tout, la chaleur de combustion de 1 kg de H2 est (à la limite la plus basse) de 120 MJ/kg, tandis que la chaleur de combustion de l'essence ou du meilleur carburant d'aviation à base d'hydrocarbures est de 46 à 50 MJ/kg, c'est-à-dire 2,5 fois moins de 1 tonne d'hydrogène correspond ici en son équivalent énergétique à 4,1, de plus l'hydrogène est un carburant facilement renouvelable.

Il faut des millions d’années pour accumuler des combustibles fossiles sur notre planète, et extraire de l’eau de l’eau dans le cycle de production et d’utilisation de l’hydrogène prend des jours, des semaines et parfois des heures et des minutes.

Mais l’hydrogène, en tant que carburant et matière première chimique, possède également un certain nombre d’autres qualités précieuses. La polyvalence de l’hydrogène réside dans le fait qu’il peut remplacer n’importe quel type de carburant de la manière la plus rapide possible. différents domainesénergie, transports, industrie, vie quotidienne. Il remplace l'essence dans les moteurs des voitures, le kérosène dans les moteurs à réaction. moteurs d'avion, acétylène dans les procédés de soudage et de coupage des métaux, gaz naturel à usage domestique et autre, méthane dans les piles à combustible, coke dans les procédés métallurgiques (réduction directe des minerais), hydrocarbures dans un certain nombre de procédés microbiologiques. L’hydrogène est facilement transporté par des canalisations et distribué aux petits consommateurs ; il peut être produit et stocké en n’importe quelle quantité. Parallèlement, l'hydrogène est la matière première d'un certain nombre de synthèses chimiques importantes (ammoniac, méthanol, hydrazine) pour la production d'hydrocarbures synthétiques.

Comment et à partir de quoi est produit actuellement l’hydrogène ?

Les technologues modernes disposent de centaines de méthodes techniques pour produire de l'hydrogène, des gaz d'hydrocarbures, des hydrocarbures liquides et de l'eau. Le choix d'une méthode ou d'une autre est dicté par des considérations économiques et par la disponibilité de matières premières et de ressources énergétiques appropriées. DANS différents pays il peut y avoir diverses situations. Par exemple, dans les pays où l’électricité produite à partir de centrales hydroélectriques est excédentaire et bon marché, l’hydrogène peut être produit par électrolyse de l’eau (Norvège) ; où il y en a beaucoup combustible solide et les hydrocarbures sont chers, l'hydrogène peut être produit par gazéification de combustible solide (Chine) ; là où le pétrole est bon marché, l’hydrogène peut être produit à partir d’hydrocarbures liquides (Moyen-Orient). Cependant, la majeure partie de l'hydrogène est actuellement obtenue à partir de gaz d'hydrocarbures par conversion du méthane et de ses homologues (États-Unis, Russie).

Lors de la conversion du méthane en vapeur d'eau, du dioxyde de carbone, de l'oxygène et du monoxyde de carbone en vapeur d'eau, les réactions catalytiques suivantes se produisent. Considérons le processus de production d'hydrogène par conversion de gaz naturel (méthane).

La production d'hydrogène s'effectue en trois étapes. La première étape est la conversion du méthane dans un four tubulaire :

CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 – 206,4 kJ/mol

CH 4 + CO 2 = 2CO + 2H 2 – 248,3 kJ/mol.

La deuxième étape est associée à la conversion supplémentaire du méthane résiduel de la première étape avec l'oxygène de l'air et à l'introduction d'azote dans le mélange gazeux si de l'hydrogène est utilisé pour la synthèse de l'ammoniac. (Si de l'hydrogène pur est obtenu, la deuxième étape peut en principe ne pas exister).

CH 4 + 0,5O 2 = CO + 2H 2 + 35,6 kJ/mol.

Et enfin, la troisième étape est la conversion du monoxyde de carbone en vapeur d'eau :

CO + H 2 O = CO 2 + H 2 + 41,0 kJ/mol.

Toutes ces étapes nécessitent de la vapeur d'eau, et la première étape nécessite beaucoup de chaleur, donc le processus en termes de technologie énergétique est réalisé de telle manière que les fours tubulaires sont chauffés de l'extérieur par le méthane brûlé dans les fours, et la chaleur résiduelle des gaz de combustion est utilisée pour produire de la vapeur d'eau.

Regardons comment cela se produit dans un environnement industriel (Schéma 1). Gaz naturel, contenant principalement du méthane, est préalablement purifié du soufre, qui est un poison pour le catalyseur de conversion, chauffé à une température de 350 à 370 ° C et mélangé à de la vapeur d'eau sous une pression de 4,15 à 4,2 MPa dans un rapport volumique de vapeur : gaz = 3, 0 : 4,0. La pression du gaz devant le four tubulaire et le rapport vapeur/gaz exact sont maintenus par des régulateurs automatiques.

Le mélange vapeur-gaz résultant à 350 - 370 o C entre dans le réchauffeur où, en raison de gaz de combustion est chauffé à 510 - 525 ° C. Ensuite, le mélange vapeur-gaz est envoyé à la première étape de conversion du méthane - dans un four tubulaire, dans lequel il est réparti uniformément le long de tuyaux de réaction situés verticalement (8). La température du gaz converti à la sortie des tubes de réaction atteint 790 - 820 o C. La teneur résiduelle en méthane après le four tubulaire est de 9 à 11 % (vol.). Les tuyaux sont remplis de catalyseur.

Aujourd’hui, les constructeurs automobiles ne parlent que du développement de l’hydrogène. Qu’est-ce que l’hydrogène ? Regardons cela un peu plus en détail.

L'hydrogène est le premier élément du tableau chimique, son poids atomique est de 1. C'est l'une des substances les plus courantes dans l'univers, par exemple, les 100 atomes qui composent notre planète 17 sont de l'hydrogène.

L'hydrogène est le carburant du futur. Il présente de nombreux avantages par rapport aux autres types de carburant et offre de grandes perspectives de remplacement. Il peut être utilisé dans absolument toutes les industries production moderne et le transport, même le gaz utilisé pour cuire les aliments peut facilement être remplacé par de l'hydrogène sans aucune modification.

Pourquoi l’hydrogène n’a-t-il pas encore été largement utilisé ? L’un des problèmes réside dans les technologies permettant de l’obtenir. Le seul moyen efficace de l'obtenir à l'heure actuelle est peut-être la méthode électrolytique - l'obtenir à partir d'une substance sous l'influence d'un fort courant électrique. Mais à l’heure actuelle, la majeure partie de l’électricité provient de centrales thermiques, et la question se pose donc : « Le jeu en vaut-il la chandelle ? Mais l’introduction des énergies nucléaire, éolienne et solaire dans la production d’électricité corrigera probablement ces problèmes.

Cette substance se trouve dans presque toutes les substances, mais surtout dans l'eau. Comme le disait l’écrivain de science-fiction Jules Verne : « L’eau est le charbon des siècles à venir. » Cette affirmation peut être classée comme une prédiction. Il y a plus de ce « charbon » à la surface qu’autre chose, nous aurons donc de l’hydrogène pendant de nombreuses années.

Une seule chose peut être dite sur la pureté environnementale de l’hydrogène : lors de sa combustion et de ses réactions dans les piles à combustible, de l’eau et rien que de l’eau se forme.

La pile à combustible est peut-être la plus moyen efficace obtenir de l'énergie à partir de l'hydrogène. Elle fonctionne sur le principe d'une pile : la pile à combustible comporte deux électrodes, l'hydrogène circule entre elles, réaction chimique, apparaît sur les électrodes courant électrique, et la substance se transforme en eau.

Parlons de l'utilisation de l'hydrogène dans les voitures. L'idée de remplacer l'essence conventionnelle bruyante et enfumée par du gaz absolument propre est née il y a de nombreuses années, tant en Europe qu'en URSS. Mais les développements dans ce domaine ont été réalisés avec plus ou moins de succès. Et maintenant, l'apogée du désir des constructeurs automobiles de devenir indépendants du pétrole est arrivé. Toute entreprise qui se respecte a des évolutions dans ce domaine.

L’hydrogène présent dans une voiture peut être utilisé de deux manières : soit brûlé dans un moteur à combustion interne, soit utilisé dans des piles à combustible. La majorité des nouveaux concept-cars utilisent la technologie des piles à combustible. Mais des entreprises comme Mazda et BMW ont choisi la deuxième voie, et pour cause.

Voiture à pile à combustible – simple et extrêmement système fiable, mais son adoption généralisée est entravée par les infrastructures. Par exemple, si vous achetez une voiture à pile à combustible et que vous l'utilisez dans notre pays, vous devrez vous rendre en Allemagne pour faire le plein. Mais les ingénieurs de BMW ont choisi une voie différente. Ils ont construit une voiture qui utilise l'hydrogène comme combustible, et cette voiture peut utiliser à la fois de l'essence et de l'hydrogène, comme de nombreuses voitures modernes équipées d'un système d'alimentation essence-essence. Ainsi, s'il existe au moins une station-service dans votre ville qui vend ce type de carburant, vous pouvez acheter en toute sécurité l'hydrogène BMW Hydrogen 7.

Un autre problème lié à l’introduction de l’hydrogène est sa méthode de stockage. Toute la difficulté réside dans le fait que l'atome d'hydrogène est le plus petit en taille au monde. tableau chimique, ce qui signifie qu’il peut pénétrer presque n’importe quelle substance. Cela signifie que même les murs en acier les plus épais la laisseront passer lentement mais sûrement. Ce problème est désormais résolu par les chimistes.

Un autre problème est le réservoir lui-même. 10 kg d'hydrogène peuvent remplacer 40 kg d'essence, mais le fait est que 10 kg de substance occupent un volume de 8 000 litres ! Et c'est une piscine olympique entière ! Pour réduire le volume de gaz, celui-ci doit être liquéfié et l’hydrogène liquéfié doit être stocké de manière sûre et pratique. Les réservoirs des voitures à hydrogène modernes pèsent environ 120 kg, soit presque deux fois plus que les réservoirs standards. Mais ce problème sera bientôt résolu.

Le carburant hydrogène présente bien plus d’avantages que d’inconvénients. L'hydrogène brûle beaucoup plus efficacement, n'émet pas de substances nocives, ne produit pas de suie, ce qui augmente considérablement la durée de vie des voitures. L’hydrogène est un carburant facilement renouvelable, la nature ne subira donc pratiquement aucun dommage.

Le principal obstacle à la technologie de l’hydrogène est l’infrastructure. Très peu de stations-service dans le monde sont actuellement disposées à ravitailler une voiture en hydrogène, même si Honda produit déjà des voitures à hydrogène de série et que BMW se prépare à les produire. Dans les pays de l'ex-Union soviétique, environ voiture à hydrogène En général, on ne peut même pas encore en rêver. Il faudra attendre plus d’un an, voire une douzaine d’années, avant l’avènement des stations de ravitaillement en hydrogène. Il reste à voir quand nous commencerons, avec le monde entier, à sauver la planète d’un désastre environnemental.

Des scientifiques russes ont mis au point un nouveau carburant 100 fois moins cher que le diesel, plus efficace et plus facile à produire... Pensez-vous que quelqu'un en a été content ? Il ne s'est rien passé ! Les ministres de Moscou se promènent dans leurs bureaux depuis maintenant 3 ans - apparemment, ils réfléchissent encore à la meilleure façon de mettre en œuvre l'ordre d'exécution direct qu'ils ont reçu pour exécution. Et il s'avère que ceux qui ont donné cet ordre ne sont pas non plus intéressés par sa mise en œuvre rapide, car n’empêchez pas les ministres de saboter en toute impunité la solution de tâches vitales pour la Russie et le reste du monde. Alors réfléchissez maintenant : pour qui travaillent réellement ces ministres ? Yuri Ivanovitch Krasnov et Evgeniy Guryevich Antonov de l'OBNL du même nom. Lavochkin a proposé un type de carburant fondamentalement nouveau à base d'eau structurée. Mais il s’avère que les rois d’aujourd’hui n’ont pas besoin de leur invention ! Cela les empêche même de nous conduire vers un épuisement complet des hydrocarbures et un désastre environnemental sur la belle planète Terre...